第36卷第8期2017年 8月
技术经济
Technology Economics Vol. 36，No. 8
Aug. , 2017
基于多维技术创新地图维法耦合的
技术创新路径构建及实例分析
冯立杰1，李阳光1，岳俊举1，王金凤2
(1.郑州大学管理工程学院，郑州450001 ;2.上海海事大学经济管理学院，上海201306)
摘要：基于现有创新理论并结合当代技术发展特征，创建了多维技术创新地图，构建了基于多维技术创新地图维法耦合的技术创新路径。结合煤层气开采卸压消突创新实例，验证了该方法的可行性和有效性，即提高了技术创新路径构建的客观性，从技术创新本质层面指导技术创新活动的开展，有助于为企业开展技术创新活动提供决策支持。
关键词：创新维度；创新法则；技术创新地图；搞合；技术创新路径
中图分类号：TE37 文献标志码：A 文章编号：1002 — 980X(2017)08 — 0018 — 06
1文献综述
随着企业技术竞争的日益激烈，技术创新已成 为企业实现生存和发展的重要手段。然而，随着技 术和环境复杂化以及市场需求多样化等特征的凸 显，企业技术创新的风险逐渐增大。构建技术创新 路径作为企业开展技术创新活动的关键环节，决定 着企业能否顺利寻求到既符合企业自身资源特、又能适应复杂多变的外部环境的创新途径。为了能 够准确把握行业或领域的技术创新趋势，企业有必 要通过构建技术创新路径体系来加快技术创新进程。
众多国内外专家、学者围绕技术创新路径开展 了大量的理论及应用研究，并取得了丰富的研究成 果。其中，S in g h、M athiassen和 M ish ra[1]描述了技术创新路径的研究现状和改革轨迹，帮助企业厘清 了技术创新路径构建的模式。H u、Z h a n g和W ang[2]以及Y〇〇n、Park和Coh[3]均强调了路径依 赖对技术创新的重要影响，并分别利用模糊认知图 和形态学矩阵研究了技术创新基本要素之间的因果 关系，探讨了可能的技术实现方式，为技术创新提供 了路径参考。Momeni和 R ost[4]、W an g、Qiu和Z h u等[5]以及C ho、Y o o n和K im等[6]指出，识别技术路径发展趋势是预测相关技术创新活动的关键，并基于专利技术发展路径和技术路线图相继构建了 技术创新模型，以此提高行业技术发展趋势的预测
能力。
在技术创新路径识别方面，Zhu、W ang和Bai[7]重点研究了基于关键词和专利引文分析的技术创新
路径识别方法。同期，Ventura、Ferrazzi和Frisio[8]以专利分析作为识别技术创新路径的工具，以功能 性食品为例验证了其可行性。上述研究为企业开展 技术创新活动提供了方法支持与帮助。
在技术创新路径构建方面，Zheng、F u和Li 等[9]以及Tian、Y in和Shi[1°]从不同角度提出了技 术路径构建的概念模型，该模型体现了创新要素对
技术创新路径形成的关键作用。Borgianni和Matt[11]研究了公理化设计与 TRIZ(theory of in­ventive problem solving)的融合机理与方式，并阐
述了应用该路径获取创新设计的流程。Nakaga-wa C l z]^USIT(unified systematic inventive think-ing)理论应用于教学产品设计，从微观角度研究了 设计过程的矛盾解决机制，为技术创新路径获取提 供了新的切人点和具体分析手段。当前国内学者关 于技术创新路径的研究多侧重于技术创新路径的分 析与选择#17]，部分学者对技术创新路径的构建开 展了一系列探索与研究。例如：武建龙和王宏起[18]
收稿日期：2017 — 04 — 27
基金项目：国家自然科学基金项目“基于多维空间专利地图的煤层气开采创新路径研究”（71472171)；中华人民共和国科学技术部创新方法工作专项项目“面向企业的颠覆式创新方法与工具研究及其应用’’（2016IM010400)作者简介：冯立杰（1966—），男，河南焦作人，郑州大学管理工程学院教授，研究方向：工程技术创新；李阳光（1987—），男，河南永城人，郑州大学管理工程学院硕士研究生，研究方向：技术创新；岳俊举（1989—），男，河南平顶山人，郑
州大学管理工程学院博士研究生，研究方向：技术管理；王金凤（1963—），女，河南焦作人，上海海事大学经济管
理学院教授，博士生导师，研究方向：工业工程。
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冯盒杰等：基于多维技术创新地图维法耦合的技术创新路径构建及实例分析
图1多维技术创新地图的整体框架
3多维技术创新地图维法耦合路径
3.1多维技术创新地图维法耦合的可行性
剖析领域或行业内的技术创新成果可发现，无
论技术创新过程的复杂程度如何，技术创新的本质
均是材料、工艺、流程和信息等要素不断被迭代与整 合的过程[24]。由此，可将技术创新要素作为研究的 切入点，界定创新要素的形态、类别及其变换手段， 进而总结技术创新活动的内部原始规律，从而帮助 企业加快技术创新活动进程、提高其创新质量。
本文基于传统创新理论并结合当代新能源技 术、电子信息技术、生物技术以及化工技术等新兴产 业的相关创新发明过程涉及的创新要素而聚类形成 的9个创新维度，是技术创新过程中影响技术创新 特性的各类要素的统称，亦是决定技术产品概念形 成，明确其整个生命周期内基本结构、功能和选用材 料等属性的信息元。同时，本文借助技术信息搜集 工具，探索了不同领域技术创新活动的表现形式，继 而总结诸多领域技术创新要素的内在变化规律，最 终提炼得到9个创新法则，并将之作为技术创新过 程的运算机制，对创新要素实施集成与变换。由此， 创新维度与创新法则耦合的本质是创新要素与作用 方式的变换组合。
综上所述，创新维度涵盖了诸多领域不同形态 的原始创新要素，并被细分为9个类别，9个创新法 则是作用于各类创新要素的基本方式，创新维度与 创新法则耦合正是创新要素的迭代、集成与结构化 过程，维法耦合研究正是从技术创新活动的本质层 面研究技术创新路径构建的机理。因此，通过多维 技
术创新地图维法耦合研究获取技术创新路径是可 行且有效的。
从模块化视角系统地研究了新兴产业技术创新的特 点，构建了战略性新兴产业突破性技术创新路径；杨 春燕和蔡文[19@]研究了可拓学理论在创新路径构
建中的应用；冯立杰等[2122]将专利地图与TR IZ 相 融合，拓展了 TRIZ 技术创新体系，构筑了多维空间 专利地图，为技术创新路径的构建提供了新的思路。
综上，国内外专家学者不断扩展技术创新路径 的研究范畴，研究内容越来越丰富，尤其是技术创新 路径分析和预测的相关研究实现纵深发展。然而， 从技术创新本质着手并将技术创新路径构建过程具 象化的研究尚不多见。鉴于此，本文基于传统创新 理论并结合当前技术创新发展趋势构建多维技术创 新地图，将技术创新的要素划分为创新维度与创新 法则两大类，利用创新法则对创新维度进行变换和 重组的过程即维法耦合形成技术创新路径的过程。 同时，本文阐明了多维技术创新地图的维法耦合关 系，构建了维法耦合的路径，最终形成一套能够快 速、准确地获取技术创新路径的理论体系，为企业技 术创新实践提供有价值的参考借鉴。
2多维技术创新地图概述
多维技术创新地图的实质是，将技术创新的要
素划分为创新维度与创新法则，以创新维度和创新 法则为耦合变量绘制创新图谱，据此直观展示某领 域或行业技术革新的可能路径。其中，创新维度受 启发于TR IZ 理论中的39个工程参数e 综合考虑 当前技术创新活动的复杂特征，并深度挖掘当代技 术领域涉及的创新要素，本文通过聚类提取了 9个 创新维度^空间维、环境维、功能维、机理维、结构 维、材料维、动力体系维、时序维和人机关系维[|5]。 同时，在整理并剖析诸多领域的技术创新成果、经验 技巧和技术发展特征的基础上，结合SIT (systemat -
ic  inventive  thinking )、形态学矩阵和检核表法等理 论的创新手段，对TRIZ 创新理论中的40个发明原
理和76个标准解进行聚类，归整出9个创新法 则——
分解与去除、组合与集成、局部优化、替代、动
态化、自服务、友好化、柔性化和智慧化「1。
图1为本文绘制的多维技术创新地图a 图1 中：横坐标为创新维度，纵坐标为创新法则；区域内
的网格线交点代表创新维度与创新法则的一种耦合 形式，用在具体行业或领域中就是一种技术创新路 径。因此
，一
个区域内有两个乃至多个网格线交点，
表示该领域可选用多个创新维度及创新法则构建技 术创新路径。不同领域的技术创新特点各异，因此 不同的技术领域在图中的区间位置有所差别，其对 应的关键创新维度和创新法则亦不同0
新度创维机系隹人
关结
时序维
力系隹
动体维材料维机理维
功能维
结构维
环境维
空
间维
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技术经济
第36卷第8期
图2
基于多维技术创新地图维法耦合获取
技术创新路径的流程图
① 热点创新维度提取。针对具体的待创新
统，可首先运用专利信息服务平台检索该系统相关 的专利并聚类技术关键词，通过聚类得到的关键词 属于领域技术研究热点，进而筛选、分类关键词可提 取热点创新维度。
② 基础技术创新路径计算。将热点关键词与创新法则输入公式N  = ，进行原始路径计算分析g 计算过程中w 和〃的取值是确定的，进一步 结合领域待创新系统的现实条件及复杂程度确定a  与6的取值。计算结果即基础技术创新路径，可为企 业提供创新思路与启发。
③
多重对应分析。借助领域专家的经验和
识，深度挖掘专利技术的创新要素变换机理，逐个识 别其对应的创新维度、创新法则与其他具体变量，
进 而对变量进行多重对应分析，由此可探究得到具体 领域中关联度较高的创新维度和创新法则，并最终 确定影响技术创新路径形成的关键创新维度和关键 创新法则。
从多维技术创新地图图谱中通过维法耦合获得 技术创新路径N 的过程可表示为
N  = V J F ” (1)
式(1)中iV , G  6
代表创新维度；巧
(j  6 〃 ;
)代表创新法则；※表7K 稱合。
不过，当针对某个具体领域应用该方法时，理论 上可任意选择单个或多个创新维度与不同的创新法 则进行耦合以获取技术创新路径。进一步，其表达
王伊锋式调整为
N  = V J F 魏 (2)
式(2)中：7?7 是一个集合，W  G  {1，2,3,4,5,6, 7,8,9};77是一个集合，77口{1，2,3,4,5,6,7,8,9^
设式(2)中集合w 中的元素个数最多为a  (a  < 9)，集合〃中的元素个数最多为6(6 < 9)，则集合m  去除空集后子集的数量为Y  — 1，且每个子集代表 一个或固定组合的几个创新维度。同理，集合〃除去 空集外子集的数量为— 1，且每个子集代表一种或 固定组合的几种创新法则。
由此，针对具体领域，通过维法耦合可获取的技 术创新路径数量为
= a (2a  —l )X a (26 —1)。 （3)例如：当a  = 2、6 = 2，确定创新维度为R 和 、创新法则为兄和，即w  = {{1}，{2}，{1，2} h
n  = ({1}，{2}，{1，2}丨时，此时可获取的技术创新路
径数量= (22 —1) X  (22 — 1) = 9条，且其获取
的技术创新路径的表达式为
r  Vi  n
U
※
，⑵，{1，2}卜
=Vg  ※
ViV 2_r  V 1F 1
V 1F ,
V 2F x F 2 n
[F 1
F 2
F i F 2]=
v 2f 1
v 2f 2
v 2f 1f 2
v 1v 2f 1 v 1v 2f 2 v 1v 2f 1f 2
3.2创新维度与创新法则耦合关系当前多维技术创新地图包含9个创新维度和9 个创新法则。然而，随着科技的发展或新技术、新工 艺的出现，可对创新维度与创新法则进行增删或修 改，目前对创新维度与创新法则进行编号构成的多 维技术创新地图图谱见表1。
表1
多维技术创新地图图谱
创新维度(V ,)
创新法则（巧）分解与去除 (Fi )局部优化
(Fz )
智。化
(F 9)
座间维（Vi )’ V i  X  Fj
环境维(v 2)人机关系维(v 9)
3.3多维技术创新地图维法耦合路径构建
不同行业或领域的技术创新活动具有不同的特 性。在开展技术创新活动时，可结合具体领域技术 创新的特点，选取关键创新维度和创新法则来实现 预期目标。为了能够快速、准确地选定关键创新维 度和创新法则，进而获取有应用价值的技术创新路 径，以满足当前企业对技术创新路径构建方法的迫 切需求，本文基于多维技术创新地图维法耦合开展 技术创新路径构建研究，并梳理其应用流程，如图2 所示。
一
箚新维度提取▲—
^基础技术创新路径计算▲
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冯立杰等：基于多维技术创新地图维法耦合的技术创新路径构建及实例分析
进一步，在充分考虑待创新系统的技术特点、研
究其技术进化趋势的基础上，以关键创新维度与关
键创新法则耦合为中心指导思想，罗列关键创新维
度包含的创新要素，并一一运用关键创新法则对其
进行变换、重组，即可获取关键技术创新路径。
4多维技术创新地图应用案例
煤层气是煤的伴生矿产资源，又称为瓦斯，是煤
矿地下开采中煤与瓦斯突出潜能的重要组成部分，
也是一种优质、洁净的燃料，主要以吸附状态的形式
自储在煤层中。中国在开采层抽采煤层气、临近层
抽采煤层气、采空区抽采煤层气和围岩抽采煤层气
等方面已具备先进技术，在煤层气抽采、防治瓦斯爆
炸以及减少煤与瓦斯突出等方面取得了一些成效。
但是，由于中国的煤层气储层普遍表现出低压、低渗
和低含气饱和度的“三低”特征，因此常规的煤层气
开采技术在中国的煤层气开发中逐渐显现出不足，
伴有工作面钻孔施工工作量大和抽采效率低的问
题，甚至存在一定的安全隐患。因此，煤层气开采亟
需其他更为安全、有效的卸压消突方法，以提高煤层
气开采工作的安全性和抽采效率。
本文运用多维技术创新地图对煤层气开采卸压
消突技术进行创新改进，并获取能够满足中国煤矿
特点的煤层气开采技术创新路径，以验证多维技术
创新地图的科学性和有效性。
按照多维技术创新地图维法耦合获取及技术创
新路径的流程，本文对要解决的问题进行分析的具
体过程如下：
①热点创新维度提取。通过专利检索可获取待
创新系统的相关专利，检索方案见表2。
表2专利检索方案
项目名称内容
检索平台中国知识产权专利信息服务平台(http：//search, cnipr. com)
检索时间2017年3月
数据库范围中国发明专利，中国实用新型专利，中国外观设计专利
检索表达式名称，摘要，主权项=‘煤层气开采’ or ‘瓦斯开采’ or ‘煤层气抽放’ or ‘瓦斯抽放’
检索到的专利共834项，通过聚类得到20个主 要关键词—
—它们揭示了本领域的技术研究热点。对技术研究热点关键词进行筛选和分类，可提取到 4个热点创新维度（见表3)。
②基础技术创新路径计算。将提取到的创新维度与创新法则按照公式N =展开路径计算，m取值为{{1}，{4}，{5}，{6}}^尝试取值为{{1}，
{2}，{3}，{4}，{5}，{6}，{7}，{8}，{9}}。计算结果为 ry in
V4
…※f2•••F9]=:。
表3提取到的热点创新维度
关键词分类
提取得到的创新
维度〇〇煤层、巷道、上端、进气口、出气口、筒体空间维(v o
卸压、消突、透气功能维(v4)钻孔、加工方法、通孔、压裂、注浆、爆破机理维(V5)
钻头、催化剂、流体、复合材料、氮气材料维(v6)
显然，上述计算结果可给予技术创新人员诸多 创新思路以获取技术创新路径，尤其是经验丰富的 技术人员往往可通过讨论迅速锁定有特殊价值的技 术创新路径。
要说明的是：上述计算过程中m和《仅分别取 单一值，若进行复杂系统创新，则可将™■与n同时 取值为复合维度或法则，能够获取的原始技术创新 路径数量可达（24—1)X(29—1) =7665条。
③多重对应分析。为了从基础技术创新路径中 筛选出经济成本低且可操作性强的技术方案，同时 为了进一步明确并细化煤层气开采卸压消突技术创 新路径，本文借助煤层气开采卸压消突专家的经验 知识，逐个挖掘专利技术的深层次创新原理，将作用 方式和创新维度及法则一一对应，分析结果见表4。
进一步，聚类关联作用方式、创新维度及创新法 则三个变量，最终关联度高的变量将聚堆呈现在分 析结果图中。本次的分析结果如图3所示。
剖析图3不难发现：爆破方式下环境维与友好 化的相关度高；流体冲刷与时序维、动态体系维、局部优化的关联密切；压裂技术创新的关键创新维度 包括功能维、人机关系维和机理维，关键创新法则有 智慧化、组合与集成以及替代；钻孔更多适用于空间 维柔性化或分解去除、材料维替代等。
鉴于此，可根据上述结论对煤层气开采卸压消 突技术展开联想，以获取具有时代价值的技术创新 路径，从而为解决特殊地区煤层气卸压消突问题提 供可行方案。将部分关键创新维度与创新法则进行 耦合获取的可行技术创新路径见表5。
综上，运用多维技术创新地图维法耦合能够获 取煤层气开采卸压消突的新思路，进而结合当前矿
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技术经济第36卷第8期
表4专利技术创新原理对应表
专利号作用方式创新维度创新法则C N201410151121. 6压裂Vi f2
C N201510673960. 9钻孔v5f9
C N201410093641. 6流体冲刷Vi f2
C N201110074230. 9爆破V s f2
C N201610323238. 7钻孔v4f5
C N201210331887. 3钻孔V2f3
C N201610128388. 2压裂v5f2
C N201110099791. 4压裂v5f3
C N201410093855. 3钻孔Vi f8
C N201410608705. 1压裂v6f4
C N201520420815. 5爆破v5f4
C N201210013109. X流体冲刷Vi f4
C N201410471573. 2爆破v5f6
C N201510381391. 0钻孔v6f4
C N201410663335. 1压裂v6f9
C N201310188024. X钻孔v6f4
C N201510963761. 1爆破Vi f2
C N201410014542. 4钻孔Vi F i
C N201610856221. 8压裂V s F s 进行了实证探索。结果表明：多维技术创新地图明 显有助于企业快速获取技术创新路径、丰富企业创 新技能。
表5卸压消突技术创新关键创新维度与
创新法则及其对应的技术创新路径
作用方式创新维度创新法则卸压消突技术创新路径
钻孔
空间维柔性化
钻设多井孔，孔与孔之间弧形
连通，有助于风力运移卸压
消突
空间维分解与去除
将煤层气储存空间划分为不
同段层，根据条件从不同方位
实施钻孔作业
材料维动态化
应用激光、电磁，脉冲等旋转
交替钻孔，按要求不断改变
强度
机理维替代
将钻孔原理替换为切割原理，
增加单次作业面积，提高开采
效率
爆破
环境维友好化
改善爆破装置，克服天然存在
的地下恶劣环境
空间维自服务
利用物理或化学效应迫使煤
层内部自行裂开实现卸压
消突
压裂
机理维智慧化
添加钻头导向设备并通过远
程操作保持压裂过程的连
续性
功能维组合与集成
压裂结合振动和钻孔三位一
体交叉进行卸压消突
材料维替代
换用更适合的压裂液以改善
压裂技术质量
流体冲刷
时序维局部优化
合理控制冲刷作业间隔时间，
力争冲刷效果最佳
动力体系维局部优化
提高动力机器功率以加强作
业力度
图3煤层气开采卸压消突技术的
维法耦合多重对应分析图
井现场及开采设备的实际情况，依照获得的技术创 新路径进一步对煤层气开采卸压消突的相关设备及 方法进行系统设计，可形成具有针对性的技术方案。
5结论
本文在充分研究传统创新理论的基础上，对现 代众多领域技术创新活动涉及的创新要素进行聚 类，提炼出9个创新维度和9个创新法则，进而以两 者为核心构建了多维技术创新地图，厘清了创新维 度与创新法则的耦合机理、规律，描述了多维技术创 新地图指导具体领域技术创新的流程，同时对多维 技术创新地图应用于煤层气开采卸压消突技术创新
多维技术创新地图以技术创新内部原始规律为 研究切入点，指明了创新法则与创新维度的耦合路 径，最终可形成一套能有效指导技术创新的程式化 创新理论。该工具适用于多领域的技术创新活动，而非仅针对单一技术问题。
虽然多维技术创新地图在实施过程中对传统创 新理论进行了改进，亦达到了预期成效，但是该方法 仍存在一些局限性。首先，创新维度的划分不够细 致，在具体应用时只能提供宏观创新思路，较难精确 定位最优创新要素；其次，针对具体的技术创新领 域，在通过挖掘专利数据提取关键创新维度时，若关 键词归类不合理，则易造成提取到的关键创新维度 的有效性相对欠缺；最后，由于专利公开时间具有滞 后性，因此专利检索挖掘到的关键词数据不全，这或 将导致所提取的关键技术创新维度不全面。
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